基于FPGA的高階QAM調(diào)制器的實現(xiàn)

　　1 引 言

　　多電平正交幅度調(diào)制MQAM(Multilevel QuadratureAmplitude Modulation)是一種振幅和相位相結(jié)合的高階調(diào)制方式，具有較高的頻帶利用率和較好的功率利用率。因為單獨使甩振幅和相位攜帶信息時，不能最充分利用信號平面，這可由調(diào)制信號星座圖中信號矢量端點的分布直觀觀察到。多進制振幅鍵控(MASK)調(diào)制時，矢量端點在一條軸上分布；多進制相位鍵控(MPSK)調(diào)制時，矢量點在一個圓上分布。隨著進制數(shù)M的增大，這些矢量端點之間的最小距離也隨之減少。而MQAM采用振幅和相位聯(lián)合鍵控調(diào)制，他能充分利用整個信號平面，將矢量端點重新合理地分布，在不減小最小距離的情況下，增加信號的端點數(shù)；在相同信號端點數(shù)的情況下，矢量端點之間的最小距離增加。因此，MQAM是一種高效的調(diào)制方式，被廣泛應用于中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。本文首先介紹了MQAM調(diào)制解調(diào)的基本原理，然后以64QAM為例，介紹了一種全數(shù)字實現(xiàn)的調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并給出了解調(diào)器的具體FPGA實現(xiàn)方法及關(guān)鍵技術(shù)。

　　2 MQAM調(diào)制原理

　　所謂正交振幅調(diào)制，就是用兩個獨立的基帶波形對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜的正交性來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。MQAM信號的一般表達式為：

　　式(1)由兩個相互正交的載波構(gòu)成，每個載波被一組離散的振幅{Am)，{Bm)所調(diào)制，故稱這種調(diào)制方式為正交振幅 調(diào)制。式中T為碼元寬度，m=1，2，…，L，L為Am和Bm的電平數(shù)。MQAM中Am和Bm振幅可以表示成：

　式中：A是固定的振幅，dm，em由輸入數(shù)據(jù)確定，dm，em決定了已調(diào)MQAM信號在信號空間中的坐標點。在調(diào)制過程中，載波的振幅與相位都發(fā)生了變化，因此，已調(diào)信號矢量星座圖中每一個坐標點代表了一種編碼組合，同時也代表了正交信號矢量合成后的不同的相位及電平，第i個信號可用數(shù)學描述為：

　　因此每一個坐標點也由Ai和φ i惟一確定。

　　3 64QAM調(diào)制器系統(tǒng)設(shè)計

　　圖1給出了全數(shù)字實現(xiàn)的64QAM調(diào)制器的電路原理結(jié)構(gòu)。除D／A變換外，每個功能模塊都用FPGA實現(xiàn)。擾碼、串并轉(zhuǎn)換和差分編碼采用原理圖的方法進行設(shè)計，電平轉(zhuǎn)換及星座圖映射采用查表法(LUT)進行設(shè)計。本設(shè)計的難點為成形濾波器和基于DDS的正交調(diào)制器實現(xiàn)，下面重點描述成形濾波器和基于DDS的正交調(diào)制器的實現(xiàn)方法。

　　3.1 成形濾波器的設(shè)計

　　為了讓信號在帶限的信道中傳輸，提高頻譜利用率，通常在發(fā)送端把信號經(jīng)過成形濾波器進行帶限，由此就會引入碼間干擾。為有效地減少碼間干擾，按照最佳接收理論，收發(fā)基帶濾波器應共軛匹配，設(shè)計時收發(fā)基帶濾波器采用均方根升余弦滾降濾波器即能滿足要求。

　　在實際電路設(shè)計中采用具有線性相位的FIR濾波器來實現(xiàn)均方根升余弦滾降特性的成形濾波器。一個N階FIR濾波器的差分方程表達式為：

　　線性相位的FIR濾波器的系數(shù)是偶對稱或奇對稱的，利用系數(shù)的對稱性可減少乘法器的數(shù)量，本系統(tǒng)采用N為偶數(shù)且系數(shù)偶對稱的線性相位的FIR濾波器。濾波器系數(shù)是一個固定的值，根據(jù)均方根升余弦的沖擊響應特性，利用Matlab軟件可直接生成FIR數(shù)字濾波器系數(shù)hk(k=0，1，…，N-1)。所以濾波器的乘法都是固定系數(shù)的乘法。